虚拟现实技术由于具备实时性、交互性、沉浸性等特点，与CAD、CAE、CAM等制造业产品研发的各类信息化手段均有所结合，是推动工程研发智能化、智慧化的重要途径与展现方式之一。

　　身临其境

　　虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感等方面。利用这一技术，操作者可以实现极端复杂的数据运算，通过声音命令、文字输入等使用户沉浸入虚拟环境之中，实现用户与环境的实时互动，具备实时性、交互性、沉浸性等特点。

　　CAD、CAE等产品研发中的各类信息化手段也具备图形、数据展示等基本功能，但相对而言比较抽象，通常只有专业人员才能解读。

　　通过虚拟现实技术，用户可通过视觉、听觉、触觉等因素来感受虚拟研发的手段与成果，产生身临其境的感觉，充分利用其沉浸性来体验、理解制造业产品研发的全过程。

　　全面融合

　　在制造业产品研发过程中，应用虚拟现实技术可以克服资金与技术设计等方面的“瓶颈”，充分发挥设计师的想象力和创新能力。在目前大部分制造与研究机构产品设计过程中均采用数字化CAD、CAE、CAM等信息系统的大背景下尤其明显。

　　虚拟现实技术与数字化设计手段的融合在产品设计与制造各个关键环节均有所体现：

　　（1）产品的外形与结构设计。以空客A380为例，一方面，采用虚拟现实建模的外形设计可随时进行修改与结构强度评测，方案确定后的建模数据可直接用于部件的模具设计、仿真和加工。另一方面，复杂产品的结构可通过虚拟现实技术进行直观的设计，避免出现可能的部件干涉或者装配不可达等问题。设计师可以通过头盔显示器、虚拟交互手套等外置交互设备对虚拟“飞机”的各项结构设计进行审视，大大缩短了研发周期，保证了大部件对合的设计精度。

　　（2）虚拟样机性能评估。以气动性能分析为例，飞机、汽车和其他高速运动运载工具的模型、原型样机或实物在设计过程中均需要在风洞中进行试验，以了解其空气动力学特性。风洞实验的开销很大，过程复杂，所得的实验数据处理繁琐，而在“虚拟风洞”中用户可以随时变换尺度、变换观察的角度，甚至还能够用手去“调整”流场流线的变化以评估产品性能。

　　（3）产品装配与生产过程的评估。大型产品零部件数量多，品种多，结构复杂，传统技术很难重现装配过程中零部件之间的位置与装配关系。利用虚拟显示技术，设计师可以建立各个部件的虚拟三维模型轻松表达部件之间的位置与装配关系，进一步通过佩戴立体眼镜和数据手套在可交互、沉浸式的三维虚拟世界中设计产品的装配过程。

　　在生产设计阶段，往往生产系统是一个高度复杂、系统组成相互依存的系统，加工过程中可能出现的各种随机缺陷在传统设计中都是不易发现和确定的。通过虚拟现实技术，建立“虚拟生产线”可以预先发现生产瓶颈、物料堵塞、资源利用的波峰波谷等，为设计师提供指导。

　　应用实例与现状

　　在“工业4.0”的概念中，虚拟现实技术是服务端与客户端进行数据、概念、需求展示的必要技术手段。随着虚拟世界生成的信息流向实际制造过程，全新的生产环境由此诞生。终端用户使用远程3D虚拟现实技术发送个性化需求，在智能工厂中，机器社区将自行组织，供应链将自动协调互补，把客户需求变为实际商品。

　　到目前为止，世界先进的飞机制造商已在飞机设计与生产过程中逐步利用并推广数字化虚拟技术，实现了飞机的“无纸化”设计和生产，波音777和F35的研制过程中，采用了基于三维模型的数字化协同研制和虚拟制造技术，较传统的设计手段缩短了2/3的研制周期，降低了研制成本的50%。

　　波音公司在研制X-32飞机时，基于统一的虚拟三维部件模型，借助辅助装配系统能把装配顺序和装配好的部件状态投射到正在装配部件的上方，让现场装配工人直观地进行装配工作，装配周期缩短50%，成本降低30%~40%。

　　空客采用虚拟现实技术支持新型A350XWB飞机主要部件生产线生产流程的改进。通过虚拟现实软件与主流PLM套件的无缝集成，直接读取部件设计三维数模数据，不需进行任何数据转化，生成沉浸式、可交互的产品部件生产线三维虚拟环境，以支持生产工程师对产品生产过程进行模拟仿真、优化评估。

　　马来西亚空军利用虚拟现实技术建立了某型战机的三维沉浸式维修训练系统，用以训练空军保障人员对战机进行日常维护。

　　在国内，中航工业第一飞机设计研究院2000年在“飞豹”飞机研制中已全面采用了数字化设计、制造和管理技术。

　　航天科技211厂通过普及基于单一数据源的三维模型，制定了“三维到工艺”、“三维到现场”、“三维到设备”的步骤发展策略，重点解决了基于三维模型的设计工艺协同工作模式和三维设计文件的信息传递、生产现场无纸化和航天产品的加工、装配、检测等装备的数控化问题。

　　上海商飞公司利用数字化设计、分析、仿真等技术手段，实现了设计、零件制造以及装配一次成功。新支线飞机ARJ21的研制100%采用三维数字化定义、数字化预装配和数字化样机。

　　目前来看，虚拟现实技术在制造业应用愈加广泛，如虚拟设计及三维虚拟仿真技术，3D扫描，机器人技术等等，但是其发展还是存在很多亟待解决的理论问题和技术瓶颈：

　　（1）硬件投资过高。无论从最基本的输出设备（呈现给用户的视觉，听觉，触觉感受的现实设备），还是输出设备（获得移动对象的实时位置和方向的信息）都非常昂贵。同时为了获得高质量的图行，需要高性能的硬件作为支持，设备在精度，舒适性上还有待提升。这些费用不是占据目前80%数量以上的中小型制造型企业可以承受的，投资回收期会特别长，投入产出比不高是限制虚拟现实技术普及的最主要原因。

　　（2）三维场景模型来源问题是目前虚拟现实技术绕不开的瓶颈环节。基于图形的虚拟环境首先要解决的就是三维造型，而如何选择适当的软件开发工具也成了一件不可轻视的问题。当前虽然3D扫描可以方便工程师们构建模型，但是对于复杂的真实模型，还需要人工的修改与润色，这是非常繁琐的工作。另外三维造型的数据量庞大，即使进行模型轻量化也不容易做到对模型的实时处理，同时对存储空间需求量大，读取和访问影响了仿真的刷新速度。

　　（3）图形生成速度滞后。虚拟现实中最重要的是人可以通过与虚拟场景的交互来感受场景的动态特征，也就是虚拟现实系统要求随着人的活动及时生成符合用户控制意图的图形画面，这个基本需求对系统动态响应特性和图像交互响应延迟有很高的要求，因此交互的流畅与真实性是虚拟现实的重要技术瓶颈。

　　（4）交互控制不够人性化。到目前为止，虚拟现实技术使用者仅仅是通过键盘、鼠标、眼球或者特殊头盔去做一些简单的控制运动，人在虚拟世界中的交互途径单一、机械，不够人性化。虚拟现实系统仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统、肌肉系统与计算机的交互，计算机从人的各种动作、语言等变化中获得信息，而要正确理解这些信息，需要借助于更高级的AI技术来解决，如语音识别、图像识别、自然语言理解等，这些智能接口领域也是虚拟现实技术目前的一大技术难点。

　　预期与展望

　　虚拟现实技术的实质是构建一种人为的能与之进行自由交互的“世界”，在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追求目标，到目前为止，实现的方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体部位跟器，通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。可以预见的是，未来虚拟现实技术在制造业产品研发过程中的主要应用主要集中于虚拟设计、虚拟制造与虚拟生产过程三个方面。

　　一般来说，任何的工业产品在最初的设计阶段都会出现结构、系统、控制、强度、生产等各种专业领域专业人员协同工作的情况，这就需要一种直观的、逼真的展示手段，以支持不同专业人员之间的协同沟通，虚拟现实技术必然会成为不二之选。

　　复杂产品的装配设计同样是产品设计中很重要的一个方面，因为这涉及到部件能否在保证产品精度高的前提下顺利进行装配、产品功能能否实现的问题。在此阶段，传统产品设计手段无能为力，虚拟现实同样成为了唯一选择。通过虚拟现实技术对零部件的可装配性、装配成本和时间、装配顺序和路径等装配相关过程进行设计可大大提高装配过程的一次成功率。

　　生产是任何产品变为现实的必经过程，在传统工业设计中，生产过程的设计基于静态平均的数学评估方法，根本无法得到生产过程的动态评估。随着虚拟现实技术的发展与应用，人工资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产计划均可通过虚拟仿真进行优化，对缩短生产周期、降低生产成本意义重大。

　　作者单位：北京海基科技发展有限责任公司